南海声速剖面及其对吊放声纳作用距离的影响.pdf

舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期1引言目前，我国海域，特别是南海海域正面临着复杂的水下威胁，同时由于各种潜艇降噪、消声等技术，使得声纳对潜艇的探测难度越来越大。为了应对复杂的海上形势，我们需要不断地提高装备的作战使用效能。同时，由于海洋环境的复杂多变，实际的声传播特性会随着时间、空间以及目标的不同而千差万别，从而使得装备的使用也必须要因时因地灵活改变。因此有必要对我国周边海域的实际海洋环境特性进行长期的测试，分析研究并其统计特性，从而有效地指导装备的使用1。本文以Argo浮标在南海东北部，北纬21.058、东经118.971附近海域10个月的实测温深数据为基础展开研究，首先计算其声速剖面数据，分析其统计特性；然后基于BELLHOP模型计算其声传播损失，分析研究航空吊放声纳在该海域的作用距离特征，为吊放声纳在该海域附近的作战使用提供参考，也为其它海域Argo数据的分析和研究提供方法参考。2数据来源Argo计划自 2000年底实施，是全球海洋观测系统中的一个实验计划，该计划将在全球海洋中布收稿日期：2022年11月8日，修回日期：2022年12月10日作者简介：刘敏，女，博士，副教授，研究方向：水声工程、航空反潜。南海声速剖面及其对吊放声纳作用距离的影响刘敏1曾源春2董彩萍1陈宇豪2司军伟3（1.海军航空大学烟台264001）（2.91856部队上海201900）（2.92635部队青岛266100）摘要针对目前航空吊放声纳在实际工作中布放深度的选择主要依靠声纳员经验的现状，论文基于Argo浮标在北纬21.058，东经118.971附近海域10个月的实测温深数据展开分析。首先，利用威尔逊公式计算出该海域的声速剖面数据，并对其结构和统计特性进行了分析；然后，结合BELLHOP模型计算了其传播损失图，研究了该海域航空吊放声纳的作用距离特点，为吊放声纳的使用提供参考。关键词吊放声纳；声速剖面；Argo数据；作用距离中图分类号TB566DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.05.041Analysis of Sound Velocity Profile in the South China Seaand Its Influence on the Range of Dipping SonarLIU Min1ZENG Yuanchun2DONG Caiping1CHEN Yuhao2SI Junwei3（1.Naval Aviation University，Yantai264001）（2.No.91856 Troops of PLA，Shanghai201900）（3.No.92635 of Troops of PLA，Qingdao266100）AbstractFor the current situation of the selection of depth of the dipping sonar is mainly relies on the experience of the sonaroperator.The actual temperature ande depth datas of Argo buoys in the sea area near 21.058 north latitude and 118.971 east longitude for 10 months are analyzed.Firstly，the sound velocity profile datas of the sea area is caculated using Wilsons formula，and itsstructural and statistical properties are analyzed.Then，the propagation loss plot is calculated combining with the BELLHOP model，the operating distance characteristics of aerial dipping sonar in thie sea area are studied，which provides a reference for the combatuse of dipping sonar.Key Wordsdipping sonar，velocity profile，argo data，operating distanceClass NumberTB566总第 347 期2023 年第 5 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.5203总第347期放3000个Argo浮标，提供全球海洋2000m深度以上的次表层温、盐度资料，目的就是为了加深对海洋气候的系统认识。中国Argo计划从2002年初组织实施，早期主要使用进口 Argo浮标，使用 Argos和Iridium卫星接收数据。2014年起，研制国产Argo浮标，数据直接通过“北斗剖面浮标数据服务中心”接收2。本文就以国产Argo浮标的测试数据展开分析。2.1数据点的选择南海位于北太平洋西部边缘，南起赤道附近，平均水深 1200m，水深超过 1000m 的中央东北-西南走向的菱形海盆约占总海域其余海区面积的1/23。本文选择南海菱形盆地东北部，北纬21.058、东经 118.971，距东沙群岛方位 81，224.75km 附近，深度2100m左右，如图1所示。该海域东北面通过台湾海峡与东海相连，东面通过巴林塘海峡与太平洋相连，距美驻日冲绳基地仅 986.7km，是各国舰船航线必经之地，具有一定研究价值。26N24N22N20N18N16N116E118E120E122E124ETrajectory of the float(as of 2021/05/13);WMO:2902711图1浮标投放区域2.2实测数据2020年8月至2021年5月，使用Argo浮标持续对目标海域进行垂直方向的温深数据观测，共计采集到长达10个月的实测数据，测试间隔设置为五天，在扣除个别时间的特异值后，测试期间每个月样本容量如下：8 月份 6 个，9 月份 6 个，10 月份 6个，11月份 6个，12月份 6个，1月份 6个，2月份 6个，3月份6个，4月份6个，5月份5个，共计59组数据。图2为中国Argo实时资料中心部分温深盐原始数据1。3数据分析与处理为了深入了解测试点声速剖面特性，本小节分别从季节变化和月变特征的角度，对该海域的声速剖面数据展开分析。图2浮标部分温深盐原始数据3.1威尔逊公式大多数情况下，海水中声速平均值近似等于1500m/s，但是在不同的环境下，海水声速值也会随之变化，其中影响声速的主要因素为温度，盐度和压力等。本文应用威尔逊公式来计算测试点的声速剖面，具体为4C=1499.22+CT+CS+CP+CTSP（1）CT=4.6233T-5.458510-2T2+2.82210-4T3-5.0710-7T4（2）CS=1.391()S-35+7.810-2()S-352（3）CP=1.6027210-1P+1.026810-5P2+3.512610-9P3-3.360310-12P4（4）P=1.11+1.0266310-1D+2.69110-7D2-4.1110-12D3（5）CTSP=()S-35(-1.19710-2T+2.6110-5D-1.9610-9D2-2.0910-7DT)+(-2.79610-5T+1.330210-6T2-6.64410-9T3)D+()-2.39110-9T+9.28610-12T2D2-1.74710-13TD3（6）上式中，C 为声速，T 为温度（）、S 为盐度（）、D为深度（m）、P为压强（Pa）。3.2测试点海域声速剖面结构分析经过计算和分析，发现该海域的声速剖面图符合典型的Munk SOFAR声道声速剖面图结构，表现出较强的分层特性，如图3所示。由图 3 可知，该海域声速剖面图可分为混合刘敏等：南海声速剖面及其对吊放声纳作用距离的影响204舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期层，主跃层和深海等温层。混合层由于风浪和湍流作用温度较为均匀，声速主要影响因素为压强，故形成了正声速梯度变化。随着深度的增加，进入主跃层后，风浪作用显著减小，温度影响增强，该范围内水体得不到来自阳光的热量补充，进而随深度增加，温度逐渐减小，形成负声速梯度。声速/（m/s）148014901500151015201530154005001000150020002500深度/m图3测试点典型声速剖面结构图（2021/2/21，上图为北纬21.058，东经118.971）另外，Munk SOFAR声道声速剖面图最重要的特点之一是存在一个声速极小值，其所在深度称为声道轴，在声道轴的上下方分别会出现声速负梯度以及声速正梯度。通过折射定律可知，声线的传播轨迹，会弯向声速减小的方向，因此声道内的小掠射角声线将由于声速梯度的变化被限制于声道内传播，非常有利于水声信号的远距离传播。通过对十个月的数据按月分组，剔除第一个样本（采集深度过浅，只有294.6m），然后进行月平均，得到2020年7月26日至2021年5月3日期间内每月平均声道轴深度的变化情况，如图4所示。2020-82020-92020-102020-112020-122021-12021-22021-32021-42021-512001150110010501000950声道轴深度图4测试点月平均声道轴深度从图4可以看出，在观测期间，不同季节平均声道轴的变化比较显著，其月平均值范围为960.72m1158.72m，大多集中在 1100m左右，最高值出现在12月，其数值为1158.72m，最低值出现在5月份，数值为960.72m。3.3测试点声速剖面月变化特征分析为了获取水体混合层变化趋势，为吊放声纳布放深度做出建议，在分析排除特异值数据后，统计得出了声速剖面的月平均分布图，如图5所示。将数据按照阳历35月为春季，68月为夏季，911月为秋季，122月为冬季的规律进行季节划分，这里仅列出 4 月、8 月、10 月和 1 月份的平均分布图。05001000150020002500深度/mProfile：003声速/（m/s）14801490150015101520153015401550（a）10/2020Profile：015声速/（m/s）1480149015001510152015301540155005001000150020002500深度/m（b）08/20200200400600800100012001400160018002000深度/mProfile：033声速/（m/s）1480149015001510152015301540（c）01/202105001000150020002500深度/mProfile：051声速/（m/s）1480149015001510152015301540（d）04/2021图5测试点月平均声速剖面图205总第347期混合层出现较为强烈的季节性变化，总体深度大约在60m80m。在秋季以及春季混合层出现负声速梯度或者微弱的正声速梯度，如图中的（a）、（d）所示。相反在冬季以及初春，混合层出现正声速梯度，如图中的（b）、（c）所示。通过查询中国台风网历史资料显示，2020年7月没有台风生成，而进入八月份，台风数量明显偏多，特别是十月，相继生成了七个台风，追平了历史同期数量。因此，这段时间风浪的搅拌作用明显，形成的混合层温度较为均匀，受温度影响较小，受压力影响大，形成负声速梯度。而进入冬季，生成以及增强台风的有利条件减少，导致风流搅拌作用减小，温度成为影响声速主要条件，出现正声速梯度。4吊放声纳最佳工作深度分析4.1吊放声纳的作用距离模型吊放声纳多工作于主动模式，主动声纳方程为5SL-2TL+TS-（NL-DI）=DT（7）优质因数如下：FOM=SL+TS-(NL-DI)-DI2（8）其中SL为声纳声源级，TL为传播损失，TS为目标强度，NL为海洋环境噪声级，DI为探潜设备接收指向性指数，DT为检测阈。在搜潜过程中，当FOMTL时，即优质因数大于传播损失时，任务系统判定为设备搜索到潜艇目标。4.2吊放声纳最佳入水深度分析本节利用BELLHOP模型对目标海域水声场进行仿真6，仿真参数设置如下：吊放声纳的发射初始掠射角为30，在垂直方向0300m范围内每隔3m 均匀放置 100 个接收机，在水平方向上 05km范围内每隔100m均匀放置50个接收机，声束柱数Beams=1000，吊放声纳发射频率为 2kHz，声源级SL=220dB，潜艇目标强度 TS=20dB，检测阈 DT=20dB，指向性指数 NI=20dB，海洋环境噪声 NL=50dB78。根据图5的数据分析结果可知，该海域海体表面混合层厚度60m100m，考虑到实际潜艇运行时会针对航空反潜平台利用主跃层做战术规避动作，航行深度应该会大于混合层厚度。另外，由于潜艇制造工艺不同，其航行工作深度也会有限制，此处以中型潜艇为例进行研究，因此本文中潜艇的安全航行深度取 150m250m，在此区域内每隔 10m 取点作为潜艇航行深度进行研究910。选取2021年3月21日所获样本数据为例，该样本混合层厚度为 73m，混合层呈正声速梯度变化，混 合 层 与 主 跃 层 交 界 处 出 现 最 大 声 速1524.46m/s，深度继续增加，呈现负声速梯度变化。利用BELLHOP仿真模型112进行计算，仿真得到吊放声纳在布放深度为 80m，潜艇目标深度为170m时，声线的传播损失图（如图6）和FOM-TL随距离变化图（如图7），可以看出，此时吊放声纳的最大探测距离为2872.13m。010002000300040005000Range/m200400600800100012001400160018002000Depth/m3035404550556065707580传播损失TL图6声线轨迹图0500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000range/m200180160140120100806040TL/dBTLFOM图7深度为170m时传播损失图将吊放声纳布设深度设定为80m200m，潜艇航行深度设定为150m250m，在此范围内，每隔十米作为样本数据进行研究计算，得出潜艇在不同深度下，吊放声纳布放深度对探潜距离的影响。获得共计143组数据，建立与之对应的三维图，如图8所示。探潜目标所在深度/m500045004000350030002500探潜距离/m250200150吊放声纳布放深度/m20015010050图8探测距离与目标深度和吊放声纳深度的关系图（下转第226页）刘敏等：南海声速剖面及其对吊放声纳作用距离的影响206总第347期2018，51（15）：886-890.7邓智浩，李争光，祝后权，等.永磁同步电机无传感器控制在电力推进中的应用综述 J.船电技术，2021，41（07）：49-55.8潘元璋，赵龙龙.UUV推进电机无位置传感器控制方法研究 J.舰船电子工程，2017，37（03）：46-49.9马景，彭志凌，杨煜，等.基于无位置传感器的水下航行器推进系统研究 J.弹箭与制导学报，2021，41（06）：106-111.10Vedyakov A，Pyrkin A A，Bespalov V V，et al.Adaptiveobserver of magnetic flux，angular position and velocityfor synchronous motor with permanent magnets C/Journal of Physics：Conference Series.IOP Publishing，2021，1864（1）：012029.11吴建华，吴航.永磁同步电机磁链修正无位置传感器控制 J.电机与控制学报，2021，25（04）：16-22，31.12陆文斌，姚文熙，吕征宇.基于改进闭环磁链观测器的感应电机无速度矢量控制 J.电工技术学报，2013，28（03）：148-153.13许奇，权晓波，魏海鹏，等.水下推力矢量控制技术研究现状及进展 J.兵器装备工程学报，2022，43（01）：27-34.从图中可以发现，在该声速剖面条件下，探潜设备的布放深度能很大程度地影响吊放声纳的探测距离。布放深度越深，能拥有对航行深度较深的潜艇更好的探潜效果。5结语针对实际使用中探潜设备使用深度不科学等问题，本文从全球海洋Argo系统野外科学观测研究站批量获取北纬21.058，东经118.971附近海域10个月内共计59组数据，并利用威尔逊公式进行计算，得到每组数据的声速剖面图。在此基础上，首先详细分析了该海域的声速剖面结构和月统计特性，发现其声速剖面服从Munk SOFAR声道声速剖面特性，其月平均值范围为 960.72m1158.72m等结论。然后利用BELLHOP水声传播模型，利用声纳方程，分析了该海域吊放声纳作用距离与投放深度、目标深度等之间的关系，为实际吊放声纳的使用提供参考和依据。参 考 文 献1Argo DOI，Digital Object Identifier EB/OL.http：/www.argodatamgt.org/Access-to-data/Argo-DOI-Digital-Object-Identifier.2朱佰康，许建平.Argo-认识和预测气候变化的全球海洋观测计划 J.海洋技术，2001，3（20）：21-25.3陈上及，姚湜予.中国近海海洋水文气候区划.主因子分析 J.海洋学报（中文版），1995（02）：1-11.4刘闯.基于高斯波束射线追踪算法DSP软件研究与实现 D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2019：18-25.5曲晓慧，喻荣兵，邱玮玮.浅海声速剖面对吊放声纳探测距离的影响 J.测试技术学报，2011，25（6）：471-476.6杨家轩，帅长庚，何琳，等.不同掠射角下Bellhop模型声学仿真及应用 J.声学技术，2015，4（34）：136-139.7郁洪波，鞠建波，杨少伟.“浅海”条件下声纳浮标最佳入水深度 J.探测与控制学报，2020，5（42）：97-101.8郁红波，鞠建波，等.浅海海底地形对吊放声呐探测距离的影响 J.声学技术，2021，40（1）：49-56.9鞠建波，祝超，单志超，等.反潜巡逻机应召布放多基阵声呐阵搜潜效能研究 J.兵工自动化，2018，37（2）：92-96.10刘聪，金涛.基于Bellhop的南海声传播分析 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